电厂排粉机电机大轴断裂原因分析

李艳军，牛保献

（河南恩湃高科集团有限公司，郑州 450052）

电厂排粉机电机大轴断裂原因分析

李艳军，牛保献

（河南恩湃高科集团有限公司，郑州 450052）

某发电公司＃9锅炉＃1排粉机电机大轴发生断裂，综合外观检查和各项试验结果，认为排粉机电机大轴变截面处因过热而产生性能差的魏氏组织，在大轴运转时的应力集中作用下沿变截面产生裂纹，形成裂源点，裂纹逐渐扩展，最终产生断裂。

排粉机；电机；大轴；断裂；原因分析

1 电机概况

2014年2月8日，河南省某发电公司＃9锅炉＃1排粉机电机大轴发生断裂，其排粉机电机为哈尔滨电机有限责任公司制造，型号，YKK4503-4；功率，630 kW；电压，6 000 V；转速，1 450 r/min；制造时间，1995年6月。发生断裂的电机大轴材料为45钢，断裂部位截面直径为120mm。

2 现场检查及试验分析

2.1 宏观检测

大轴的断裂部位位于电机前端轴承与对轮连接处，处于大轴的键槽附近的变截面，如图1所示，此处是大轴在运转过程中的应力集中区域。

图1 大轴断裂形貌

从整个断面来看，断口大致可分为裂纹源区（A区）、疲劳扩展区（B区）和瞬间断裂区（C区）3个区域［1］，如图2所示，断裂特征各不相同。A区色泽褐红，有1层氧化物，具有明显的断后腐蚀痕迹，该区呈现长期腐蚀环境和旋转弯曲交变应力共同作用下的断裂特征；B区有许多明显的宏观疲劳条带，据此可判断出裂纹扩展方向；C区占整个断口比例较小，说明工件正常运行过程中所受的应力水平并不高。

使用GL-99TI体式显微镜对叶片的断口进行观察，裂纹源点只有1个，整个断裂面都是由裂纹源点发展而来，断裂属于疲劳断裂，断裂面大部分较为平坦。裂纹源点距键槽约40mm，长约4mm，宽约1mm，裂源处断面呈颗粒状，如图3所示。

图2 断口形貌

图3 裂纹源点形貌

2.2 光谱检测

使用Niton XL3T800合金分析仪对电机大轴的合金材质进行检测，所检测元素均与GB/T 699—1999《优质碳素结构钢》要求相符，结果见表1。

2.3 微观检验

在断裂处沿裂纹源部位的横截面上进行金相检查，如图4所示，心部组织为铁素体+珠光体，表面有很薄1层因过热产生的魏氏组织，厚1～2mm，有1～2mm厚的热影响区组织，如图5、图6所示。在距断裂面约5mm范围内表面有多条小裂纹，如图7所示，这些小裂纹的裂纹源都在表面魏氏组织处，可见本次大轴的断裂与魏氏组织有着密切的关系。从检验结果看，电机大轴采用了正火热处理方式，表面的魏氏组织是在加热时过热造成的。

表1 断裂大轴光谱检测结果 %

图4 心部金相组织

图5 表面受热区域侵蚀后的形貌

图6 表层魏氏组织形貌

2.4 硬度检验

对电机大轴的表面过热区域（区域1），正火状态近表面区域（区域2）及正火状态内部区域（区域3）各选7个位置，各区域检测位置见图5中虚线所示。使用HV-1 000 A显微硬度计进行硬度检验，检测结果见表2。按GB/T 699—1999《优质碳素结构钢》规定，45钢材料经正火热处理硬度范围为≤197HB，根据表2可知，断裂大轴的正火态内部区域硬度符合标准，表面过热区部分硬度高于标准。

图7 表面裂纹形貌

表2 各区域硬度检测结果 HB

3 原因分析

从断口形貌看，断裂的类型属于疲劳断裂，因断裂扩展区面积远大于瞬时断裂区面积，断裂属于低应力状态下的高周疲劳。裂纹源位于大轴变截面的凹槽处即应力集中区，此区域是电机大轴断裂失效的常见位置［2-3］。大轴的材质及内部正火区硬度都符合相关标准要求，但大轴外表面及近表面正火区均不符合标准要求，特别是外表面相变区硬度远高于标准要求。大轴变截面凹槽处外表面组织为魏氏组织，魏氏组织是材料在表面加热时温度超过材料相变点温度（45钢相变点温度为721℃）后冷却下来所形成［4］，组织性能差，脆性大。裂纹源正是处于表面魏氏组织区域，与魏氏组织有着密切关系。

综上，大轴变截面表面存在性能较差的魏氏组织，在应力集中作用下形成了产生裂纹源，在大轴运转时裂纹不断扩展最终导致断裂。

4 结论及建议

造成＃9锅炉＃1排粉机电机大轴断裂的原因为大轴变截面处在表面受热或热处理时，因过热而产生性能差的魏氏组织，在大轴运转时的应力集中作用下沿变截面形成裂纹源点，裂纹逐渐扩展，最终产生断裂。建议对其他有类似情况的排粉机电机大轴进行检查，另外在对大轴进行热处理时，可参考相关文献［5］优化工艺控制，避免过热而产生魏氏组织。

［1］钟群鹏，赵子华.断口学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］孙宇红，李铁虎.电机轴断裂原因分析［J］.理化检验：物理分册，2014（3）：216-218.

［3］张亚明，刘五铸，张雷.磨煤机电机轴断裂原因分析［J］.中国材料科技与设备，2013，9（3）：60-62.

［4］崔忠圻，覃耀春.金属学及热处理［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］胡进.45钢魏氏组织高温实时形成研究及工艺控制［J］.特钢技术，2012，18（4）：29-32.

（本文责编：刘炳锋）

TG 142.1

B

1674-1951（2016）11-0038-02

李艳军（1983—），男，河南濮阳人，助理工程师，工学硕士，从事电力系统金属技术监督、失效分析、理化检测方面的工作（E-mail：liyanjun1202＠163.com）。

2016-04-07；

2016-09-03